溫　超，曹珊珊，蔣　雪，程　剛

(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西　西安　710048)

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微波法處理污泥的研究進(jìn)展*

溫超，曹珊珊，蔣雪，程剛

(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710048)

基于當(dāng)前城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置的現(xiàn)狀，介紹了微波作用污泥機(jī)制以及當(dāng)前國內(nèi)外微波處理污泥技術(shù)的一些具有代表性的研究成果，主要包括：含油污泥微波脫油技術(shù)；微波熱解污泥技術(shù)；微波污泥脫水干化技術(shù)；微波破解污泥細(xì)胞壁技術(shù)；將微波與其他物理、化學(xué)方法聯(lián)合運(yùn)用處理污泥技術(shù)。并對微波法處理污泥的發(fā)展前景提出了自己的見解，以期推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展。

微波；污泥；破解

近年來，隨著污水處理設(shè)施不斷完善與發(fā)展，污水污泥產(chǎn)量顯著提高。根據(jù)環(huán)保部統(tǒng)計(jì)，2014年全國投運(yùn)的城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施共4436座，平均日處理水量1.35億m3。按城市污水中含固率為0.02%估算[1]，我國污泥產(chǎn)量巨大，污泥在環(huán)境和安全方面存在隱患。關(guān)于污泥處理技術(shù)的研究國內(nèi)外已有許多，其中微波處理污泥因其特有的優(yōu)點(diǎn)已引起廣泛注意。本文主要結(jié)合國內(nèi)外代表性研究成果，介紹了污泥的微波法處理技術(shù)。

1　微波作用機(jī)制

微波通常指頻率300 MHz～300 GHz，波長1 mm～1 m左右的電磁波[2]。微波的非熱效應(yīng)和熱效應(yīng)對污泥產(chǎn)生作用。前者是指污泥中生物大分子在微波場中極化部分定向排列而導(dǎo)致維持大分子高級結(jié)構(gòu)的氫鍵等次級鍵斷裂，失活變性。后者指污泥中具有誘導(dǎo)或永久偶極的有機(jī)物及水等物質(zhì)吸收微波能量，使污泥很快升溫。污泥中變性與升溫的大分子物質(zhì)水解為小分子，即破碎EPS、微生物細(xì)胞等大分子，水解胞內(nèi)溶出物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)污泥破解。微波加熱有以下特點(diǎn)[3]：①加熱均勻，熱效率高；②能進(jìn)行選擇性加熱；③強(qiáng)場高溫、高頻高溫；④穿透能力強(qiáng)；⑤反應(yīng)過程易于控制；⑥殺菌。

2　微波法處理污泥的技術(shù)

目前，微波技術(shù)應(yīng)用于污泥處理的研究已有很多，微波法處理污泥的技術(shù)主要有：

2.1含油污泥微波脫油技術(shù)

美國學(xué)者對含油淤泥進(jìn)行微波脫油技術(shù)[4]相關(guān)研究，結(jié)果表明：微波脫油處理成本只相當(dāng)于傳統(tǒng)方法的1/10。劉曉娟等[5]研究發(fā)現(xiàn)：使用微波處理法對油田污水處理中產(chǎn)生的高含水污泥進(jìn)行脫水干化時(shí)，脫水過程及油水分離過程須加以協(xié)調(diào)。胡同亮等[6]采用SH94O2微波反應(yīng)系統(tǒng)對含30%的遼河、大慶原油油樣系統(tǒng)地進(jìn)行了微波輻射法脫水研究，得出了最佳脫水條件：微波時(shí)間約10 min，微波功率375 W，系統(tǒng)壓力0.5 MPa，原油脫水采用微波輻射法有快速、高效、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

2.2微波熱解污泥技術(shù)

污泥熱解傳統(tǒng)的方法是有機(jī)大分子經(jīng)高溫加熱斷裂，但它有其缺點(diǎn)：在700 ℃條件下污泥要通過固定床及流化床熱解，產(chǎn)物中的PAHs含量大幅提高[7]，油產(chǎn)品的受到很大應(yīng)用限制。J.T.Bohlmann等[8]在微波條件為溫度：250～300 ℃、壓力：8～20 MPa的裝置中順利將污泥轉(zhuǎn)化成水汽態(tài)、氣態(tài)、油類及固體殘留物質(zhì)，反應(yīng)避免了在高溫下進(jìn)行，故PAHs的產(chǎn)生減少。J A Menéndez等[9]研究發(fā)現(xiàn)添加微波能吸收物質(zhì)于污泥中，在微波條件下可迅速升溫達(dá)900 ℃，對污泥微波熱解有促進(jìn)作用。方琳等[10]把吸能物質(zhì)選為SiC，以及將污泥熱解產(chǎn)生的固體殘留物添加于污泥中，實(shí)驗(yàn)表明：微波高溫?zé)峤馓砑犹蓟韬蜌埩粑锏奈勰嗥湟簯B(tài)產(chǎn)物含低于5.37%的PAHs，且熱值可以高于37 MJ/kg；氣態(tài)產(chǎn)物含體積分?jǐn)?shù)54%以上H2和CO，熱值為9420 kJ/m3以上；因其產(chǎn)物特性使其作為燃料有望實(shí)現(xiàn)。研究表明[11]，微波熱解與傳統(tǒng)熱解相比，因揮發(fā)作用產(chǎn)生于微波熱解污泥過程中的CO2對于熱解碳渣發(fā)生自揮發(fā)反應(yīng)有促進(jìn)作用，故使其產(chǎn)物中CO2含量減少。

2.3微波污泥脫水干化技術(shù)

Wojciechowska[12]研究了微波作用對城市污泥的脫水影響，得出結(jié)論：微波對污泥的脫水性能可以提升，且對初沉污泥的脫水性能較消化污泥與混合污泥好；將微波聯(lián)合絮凝劑共同處理污泥較兩者單獨(dú)處理效果好。傅大放等[13-14]將微波作用于98%以上含水率的污泥脫水，結(jié)論表明：高含水率的剩余污泥直接利用微波脫水干燥技術(shù)可行，但經(jīng)濟(jì)可行性較差；污泥開始沸騰的溫度因其含水率不同而不同，隨含水率的提高而與水的沸點(diǎn)逐漸接近；當(dāng)污泥含水率降低到一定程度，開始沸騰的溫度不再變化，低于85%后，為75 ℃左右。傅大放[15]和Idris[16]的研究指出：微波作用經(jīng)機(jī)械脫水達(dá)75%～80%含水率的污泥后，含水率可達(dá)到60%以下，大腸菌群數(shù)<300個(gè)/g，衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)能符合污泥農(nóng)用。對污泥進(jìn)行干燥處理時(shí)，把傳統(tǒng)的熱空氣干燥換為微波方法，由75%～80%含水率降低到低于60%，其時(shí)耗電量<400度/t，處理成本及時(shí)長都有優(yōu)勢[17]。

田禹[18]對SBR反應(yīng)器活性污泥用微波輻射預(yù)處理，結(jié)論指出：在短時(shí)間內(nèi)微波輻射污泥穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞，脫水性顯著提升；適宜的微波輻射能改善污泥結(jié)構(gòu)與脫水性。李延吉等[19]研究了微波輻射對城市污水污泥的脫水性能影響，結(jié)果表明：含水率越高的污泥脫水效果越好，經(jīng)微波作用后的污泥有機(jī)質(zhì)仍有較高含量；輻射時(shí)長是最主要的影響因素，在540 W下輻射2～5 min即可達(dá)到良好效果；在合適的輻射時(shí)長下540～900 W都能達(dá)到良好的脫水效果，但在900 W時(shí)有機(jī)質(zhì)的損失率較大，達(dá)到65.64%；添加劑投加多少對污泥脫水影響不大，但對污泥微波干燥后的性狀有影響。

2.4微波破解污泥細(xì)胞壁技術(shù)

熱水解能使細(xì)胞破碎、胞內(nèi)有機(jī)物釋放及大分子有機(jī)物水解，同時(shí)提升污泥脫水與厭氧消化性能，故相關(guān)的研究和應(yīng)用十分活躍[20]。L.Guo 等[21]對分別經(jīng)超聲波、微波及高溫殺菌預(yù)處理的污泥進(jìn)行假單胞細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫的研究，結(jié)果顯示：較超聲波預(yù)處理，高溫殺菌與微波預(yù)處理能明顯提升污泥的產(chǎn)氫量，總COD分別達(dá)15.02與11.04 mL/g，停滯時(shí)間各為15 h與10 h。喬瑋等[22]對污泥進(jìn)行了微波熱水解研究，結(jié)果顯示：污泥有機(jī)物經(jīng)微波加熱水解反應(yīng)迅速進(jìn)行，溫度對反應(yīng)過程影響較大；在反應(yīng)條件最佳時(shí)，污泥經(jīng)微波水解(170 ℃)10 min后，污泥細(xì)胞壁開始破裂，離心脫水的污泥含水率小于65.5%，污泥的生物降解與脫水性能顯著改善。

崔金娟等[23]對碳酸氫鈉于微波處理污泥的影響進(jìn)行了研究，得出結(jié)論：碳酸氫鈉的添加既可使污泥堿度增加，且隨碳酸氫鈉加入量的增加處理后污泥VFA和SCOD的含量明顯提高，Zeta電位絕對值變大。Eskicioglu等[24-25]將微波和傳統(tǒng)加熱對污泥性質(zhì)和厭氧消化性能的影響對比研究，結(jié)果表明：微波和傳統(tǒng)加熱到96 ℃均能有效地使活性污泥絮體結(jié)構(gòu)破壞及細(xì)胞內(nèi)外生物高聚物釋放；經(jīng)潛在CH4產(chǎn)生量的測定，表明微波輻射較傳統(tǒng)加熱更能推動(dòng)污泥嗜溫厭氧消化，且認(rèn)為微波的非熱效應(yīng)起作用。

2.5微波與其他處理技術(shù)聯(lián)合

W T Wong等[26]將二沉池污泥處理用微波-雙氧水高級氧化法進(jìn)行研究，得出結(jié)果：在≥80 ℃時(shí)，污泥經(jīng)微波-雙氧水高級氧化法處理，COD完全溶解，污泥中氮、磷、金屬元素等營養(yǎng)物質(zhì)也被溶解，還起污泥殺菌滅活的作用。G.Yin 等[27]進(jìn)一步對微波-臭氧-雙氧水高級氧化法于固體于營養(yǎng)物質(zhì)的溶解效果研究，得到結(jié)果：高于20%的總凱氏氮與30%的總P被溶解，且總COD溶解出來約有37%。

喬瑋等[28]研究了堿輔助條件下的污泥微波熱水解特性，污泥在堿輔助條件時(shí)微波熱水解的有機(jī)物溶解率高，溶解快；當(dāng)堿添加量固定時(shí)，溫度對污泥熱水解效率影響較大；污泥中堿的添加量影響溶解率，在0～0.05 gNaOH/1 gSS范圍，隨堿添加量的變大污泥水解率明顯提高，添加量進(jìn)一步加大水解率的增加變緩。賈瑞來等[29]考察了經(jīng)微波-過氧化氫-堿預(yù)處理后的污泥水解的影響因素及在優(yōu)化條件下的污泥水解效果和其有機(jī)物特征，結(jié)果表明：預(yù)處理后的污泥SCOD、溶解性蛋白質(zhì)、溶解性糖類、VFA含量均隨著溫度的升高而增加。

M.K.Jamali 等[30]將微波引入分離工藝中，對傳統(tǒng)的三步提取法工藝改進(jìn)，用于污水污泥中Cr、Cd、Ni、Cu、Zn、Pb等重金屬提取，使提取操作從16 h縮至120 s。閔甜等[31]采用微波-檸檬酸浸出城市污泥重金屬，結(jié)果表明：升溫速率15 ℃/min，pH值調(diào)3，攪拌30 min，170 W微波2.3 min，反應(yīng)3 h，污泥中Zn、Ni、Pb、Cu浸出率分別達(dá)47.84%，43.83%，25.59%，11.05%，較無微波條件，重金屬浸出率平均提升了50.7%，反應(yīng)時(shí)間縮短8 h。

3　微波法處理污泥技術(shù)發(fā)展探討

盡管微波法在污泥處理領(lǐng)域已有很多重要的研究，但該技術(shù)應(yīng)用也都有其限制性。

3.1能耗及反應(yīng)器的限制

因熱解需較高的熱能，污泥經(jīng)微波熱解產(chǎn)生液態(tài)與氣態(tài)產(chǎn)品，在實(shí)際生產(chǎn)中電耗是巨大的，且其產(chǎn)品因技術(shù)等限制經(jīng)濟(jì)效益較低，故經(jīng)濟(jì)可行性差。另外，反應(yīng)于微波發(fā)生器、反應(yīng)器有一定要求。所以，微波熱解污泥技術(shù)適合處理工業(yè)污水含較多難降解有機(jī)物的污泥，不宜處置較大產(chǎn)量的污泥。

3.2微波動(dòng)態(tài)作用污泥處理探討

當(dāng)前，在靜態(tài)條件下微波處理污泥研究很多，而微波動(dòng)態(tài)作用污泥的研究鮮有報(bào)道。當(dāng)前的微波作用裝置難滿足污泥的動(dòng)態(tài)處理，在實(shí)際生產(chǎn)中微波法處理污泥技術(shù)很難得到應(yīng)用，為加快該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)考慮以下方面的研究：①設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)可連續(xù)運(yùn)行的大容量微波處理污泥的裝置；②在動(dòng)態(tài)條件下研究污泥在微波場結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化，得到微波處理污泥成熟的理論體系，為該類技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)；③充分發(fā)揮微波特性，提高微波作用效率，節(jié)能降耗，使其在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)方面均可行。

4　結(jié)語及展望

盡管微波預(yù)處理剩余污泥具有熱效率高、加熱快、不會造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)仍存在一些不足：①污泥微波處理需要特定裝置，要滿足各種化學(xué)反應(yīng)條件(高壓、高溫、耐腐蝕等)，且污泥微波處理產(chǎn)生能耗；②污泥微波處理厭氧消化效率仍需繼續(xù)改善；③微波組合工藝的研究還不夠成熟與深入。

微波處理污泥技術(shù)在今后仍需深入研究，加強(qiáng)微波預(yù)處理污泥機(jī)理、微生物細(xì)胞破解、有機(jī)物的釋放效率增大、難降解物質(zhì)生成的降低、污泥中病原微生物及有毒有害有機(jī)物去除、微波組合工藝及微波作用裝置等研究，促進(jìn)該技術(shù)發(fā)展與工業(yè)化應(yīng)用。

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Research Progress on Sludge Treatment Using Microwave*

WENChao,CAOShan-shan,JIANGXue,CHENGGang

(School of Environmental and Chemical Engineering，Xi’an Polytechnic University,Shaanxi Xi’an 710048,China)

Based on the present situation of the current urban sewage treatment plant sludge disposal, microwave effect mechanism of sludge and some representative research results of the technology of microwave treatment sludge at home and abroad were introduced,including oily sludge microwave deoiling technology, microwave pyrolysis of sludge, microwave drying technology of sludge dewatering, microwave cracking sludge cell wall. Microwave and other physical and chemical methods will be combined with sludge technology. Some views about the development prospects of the sewage sludge treatment using microwave were put forward in order to promote the development of the technology.

microwave technology; sewage sludge;crack

陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(No:2012K12-05-04)；西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地(西安理工大學(xué))開放基金項(xiàng)目(No:2013KFKT-1)。

溫超(1991-)，男，西安工程大學(xué)在讀碩士研究生，師從程剛教授，主要從事水污染控制及污泥資源化研究。

程剛(1965-)，男，教授，長期從事水污染控制及污泥資源化研究。

X703.1

A

1001-9677(2016)03-0008-03